王煜涵

（中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京 100018）

在工程建设过程中，为保证工程的正常开展，常需要建设围堰等临时挡水物。在水流作用下围堰的位移变化规律可反应其稳定性，且影响着工程建设的开展及进度。近年来，许多专家学者针对位移的变形情况开展了相关研究。

罗毅等人[1]以某建立有限元模型，分析不同施工方式下，围堰的内力特征及变形规律，确定了围堰与基坑的最优间距。吴梦喜等人[2]拉哇水电站围堰为研究对象，建立二维仿真模型，分析受力和应力变化共同作用下，堰基的内力变化及变形情况。司鹏飞等人[3]以某钢板桩围堰结构为研究对象，建立其有限元模型，分析不同因素对钢板桩水平位移的影响规律。杨昌斌等人[4]以悬臂钢板桩围堰为研究对象，基于三维可视化地质模型，分析不同因素对钢板桩位移及力学性能的影响，并结合监测数据，提出相关围堰加固意见。

由于河道的静水压力和流水压力会影响围堰的稳定性及其侧向位移，本文以北京城市副中心综合管廊工程围堰的钢板桩为研究对象，采用有限元软件，模拟静水压力和流水压力对围堰侧向位移的影响，并分析水流流速、桩体特性等因素对其变形规律的影响。

1 工程概况

北京城市副中心行政办公区综合管廊工程采用钢板桩围堰进行围护，考虑到渗流作用对其稳定性的影响，采用袋装砂护坡和土工布的形式，形成封闭防渗体系，以维持围堰结构的稳定性。

该地区地势东高西低，地质情况良好，主要以粉质粘土、粉砂和黏土为主，边坡表层为残积土及下层的全风化岩层，土质以红黏土、砂土和粉质黏土为主，地下水位线位于地下2m 处。勘察期间实测河道内钻孔孔口处（河底）地面标高为14.97～15.07m；河岸上钻孔孔口处地面标高为21.38～23.04m。

2 数值模型

采用有限元软件模拟静水压力和流水压力对围堰侧向位移的影响。该地区的土层相关参数如表1 所示。

表1 土层相关参数

为分析该数值模型计算围堰侧向位移的准确性，分别对比迎水面和背水面实际监测数据与模拟计算数据，分析其侧向位移的差异，以验证该模型的可行性。迎水面和背水面的侧向位移-深度曲线如图1 所示，实际监测数据与模拟计算数据变化趋势保持一致，且迎水面的侧向位移大于背水面的侧向位移，当深度较小时，迎水面和背水面的侧向位移差距较大，当深度为零时，二者之间的差距最大，其值为3.6mm；当深度为-8m时，有最大侧向位移，迎水面和背水面的侧向位移分别为2.1mm、3.9mm；随着深度的增大，二者之间的差距逐渐减小，当深度大于-20m 时，二者之间的侧向位移无明显差异。这是由于迎水面受到水流作用，围堰内部会产生渗流作用，使其稳定性降低，从而增大结构的侧向位移。当深度较小时，围堰的侧向位移迎水面和背水面的侧向位移差距较大，但二者间的差距仍在0.5mm以内，随着深度的增大，围堰的侧向位移迎水面和背水面的侧向位移差距逐渐减小，当深度大于-15m 时，二者间的差距较小，此时采用数值模型对围堰的侧向位移进行技术的准确性较高。

图1 迎水面和背水面的侧向位移-深度曲线

3 钢板桩围堰侧向位移分析

3.1 流水压力的影响

由于该围堰位于河道的中下部，常受到河道流水冲积的影响，为分析流水压力对围堰侧向位移的影响，对比分析有无流水力作用下，迎水面围堰的侧向位移-深度曲线，如图2 所示，当深度为-8m 时，有最大侧向位移，迎水面和背水面的侧向位移分别为2.2mm、4.2mm。水流力作用下的围堰侧向位移显著大于无水流力作用下的围堰侧向位移，说明水流力作用下，围堰结构的稳定性较差，易发生侧向变形。当深度较小时，有无流水力围堰侧向位移的差距较大，其中当深度为零时，二者之间的差距最大，其值为3.6mm；随着深度的增大，有无流水力围堰侧向位移的差距逐渐减小，当深度大于-17.5m 时，二者间的差距小于0.1mm。说明流水压力对围堰桩顶的侧向位移影响较大，随着深度的增大，流水压力对围堰侧向位移的影响程度逐渐减小。综合以上分析可得，流水压力对围堰钢板桩侧向位移有一定的影响，在实际工程中，为保持结构的稳定性，考虑流水压力对围堰的作用是有必要的。

图2 有无流水压力的侧向位移-深度曲线

3.2 水流速度的影响

由于流水压力对围堰钢板桩侧向位移有一定的影响，本节主要研究水流速度对其侧向位移的影响，不同水流速度下，围堰钢板桩侧向位移-深度曲线如图3 所示，水流速度为1m/s、2.75m/s 的侧向位移-深度曲线变化趋势一致；水流速度为3.5m/s 的侧向位移随深度的增大而减小。在不同水流速度下，桩顶的侧向位移差距较大，随着深度的增大，不同水流速度下的钢板桩侧向位移差距逐渐减小，其中水流速度为3.5m/s 的钢板桩侧向位移最大，水流速度为1m/s 的钢板桩侧向位移最小；说明水流速度会影响钢板桩的侧向位移，且在桩顶的影响效果最为明显，随着深度的增大，不同水流流速下的侧向位移差距较小，说明水流速度对钢板桩侧向位移的影响效果较不明显。水流流速与钢板桩的侧向位移呈正相关关系，这是由于水流流速越大，钢板桩收到的水流冲击力越大，导致其发生的位移增大。

图3 不同水流速度下侧向位移-深度曲线

3.3 嵌入深度的影响

为分析围堰钢板桩嵌入深度对其侧向位移的影响，对比分析不同钢板桩嵌入深度下，其侧向位移变化规律，钢板桩侧向位移-深度曲线如图4 所示，随着深度的增大，不同钢板桩嵌入深度的侧向位移呈先增大后减小的趋势，其中，嵌入深度为5m 的钢板桩侧向位移最大，其它3 种嵌入深度下的钢板桩侧向位移数值较为接近；说明当嵌入深度较大时，围堰钢板桩的结构稳定性较强，发生的位移较小。这是由于，当嵌入深度较小时，桩身与土体的接触面积较小，导致桩体的摩擦力较小，此时桩身抵抗水流冲积的能力较差，发生的侧向位移较大。对比钢板桩直径和流水速度对其侧向位移的影响可得，不同嵌入深度对应的钢板桩侧向位移差距较小，说明嵌入深度的变化对钢板桩侧向位移的影响较小。

图4 不同嵌入深度下侧向位移-深度曲线

4 钢板桩围堰施工

4.1 施工工艺

结合上述钢板桩围堰侧向位移分析，确定了研究项目的钢板桩围堰施工工艺流程如图5所示。

图5 钢板桩围堰施工工艺流程图

施工过程应注意：钢板桩搬运起吊时，应防止锁口损坏和由于自重导致变形；在存放期间应防止变形及锁口内积水；钢板桩搬运起吊时，应防止锁口损坏和由于自重导致变形；在存放期间应防止变形及锁口内积水。

4.2 施工中遇到的问题及处理措施

1）打桩过程中有时遇上大的孤石或其它不明障碍物，导致钢板桩打入深度不够，则采用转角桩或弧形桩绕过障碍物。

2）钢板桩在软泥质地段挤进过程中受到泥中块石或其它不明障碍物等侧向挤压作用力大小不同容易发生偏斜，采取以下措施进行纠偏：在发生偏斜位置将钢板桩往上拔l.0～2.0m，再往下锤进，如此上下往复振拔数次，可使大的块石等障碍物被振碎或使其发生位移，让钢板桩的位置得到纠正，减少钢板桩的倾斜度。

3）钢板桩沿轴线倾斜度较大时，采用异形桩来纠正，异形桩一般为上宽下窄和宽度大于或小于标准宽度的板桩，异形桩可根据据实际倾斜度进行焊接加工；倾斜度较小时也可以用卷扬机或葫芦和钢索将桩反向拉住再锤击。

4）软泥质基础较软，有时施工发生将邻桩带入现象，采用的措施是把相邻的数根桩焊接在一起，并且在当前施工打桩的连接锁口上涂以黄油等润滑剂减少阻力。

5 结论

1）随着深度的增大，围堰的侧向位移迎水面和背水面的侧向位移差距逐渐减小，当深度大于-15m 时，实测值与模拟值间的差距较小，此时采用数值模型对围堰的侧向位移进行技术的准确性较高。

2）随着深度的增大，有无流水力围堰侧向位移的差距逐渐减小，当深度大于-17.5m 时，二者间的差距小于0.1mm。流水压力对围堰桩顶的侧向位移影响较大，随着深度的增大，流水压力对围堰侧向位移的影响程度逐渐减小。

3）水流速度会影响钢板桩的侧向位移，且在桩顶的影响效果最为明显，随着深度的增大，不同水流流速下的侧向位移差距较小，说明水流速度对钢板桩侧向位移的影响效果较不明显。O